Organische Solarzellen - Teil 2 von Andreas Dietz Experimentalphysik Hauptseminar der Universität...

Organische Solarzellen - Teil 2

von

Andreas Dietz

Experimentalphysik Hauptseminar der Universität Stuttgart

WS 2011/12

Quelle: http://www.heliatek.com/

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Gliederung

• Materialien

• Herstellungsverfahren

• Effizienz unterschiedlicher Zelltypen

• Effizienzlimitierende Faktoren

• Physikalische Optimierungsansätze

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Materialien

Quelle: Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau, Erfurt (2006)

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Materialien

• Löslichkeit

• Verfügbarkeit

• keine Hochtemperaturprozesse

• keine Vakuumprozesse

• Recyclebar

• höhere Absorptionskoeffizienten

• geringere Absorptionsbandbreite

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Materialien

Quelle: http://www.zmescience.com/research/graphene-microchip-10102011/

Graphen

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Materialien

PEDOT

Poly(3,4-ethylendioxythiophen)

Polythiophen

leitfähig

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Materialien

Quelle: http://geoffhutchison.net/gallery/molecules/polymers/P3HT.png.html

P3HT

Poly-3-hexylthiophen

Bandlücke: 1,85eV

Absorbtiosband: ca. 300nm

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Materialien

Quelle: Yanmin Wanga, WeiWei, XinLiu, YijieGu; Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong, China, 2011

PCBMphenyl-C61-butyric acid methyl ester

Elektronenakzeptor

P3HTPoly-3-hexylthiophen

Elektronendonator

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Materialien

Quelle: http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/organic-electronics/plexcore-pv-ink-system.html

25ml P3HT:PCBM-lösung und 25ml PEDOT-lösungca. 1.100 $

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Materialien

Donor-Materialien

PCPDTBTpoly[2,6-(4,4-bis- (2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b’]-dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]

PF10TBpoly(9,9-didecanefluorene-alt-(bis-thienylene) benzothiadiazole)

PCDTBTpoly[N-9”-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4’,7’-di-2-thienyl-2’,1’,3’-benzothiadiazole)

Quelle: J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007)

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Herstellungsverfahren

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

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Herstellungsverfahren I

Quelle: http://www.youtube.com/watch?v=J0_dpx5kPiw

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Herstellungsverfahren I

spin coating

• kleine Flächen

• hoher Materialverlust

• empirisches Herstellungsverfahren

• Multilayersysteme problematisch

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Herstellungsverfahren I

spin coating

• gute Dickenhomogenität

• geringe Rauhigkeit

• stufenlose Schichtdicken über mehrere Größenordnungen ca. 10nm – 1µm

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Herstellungsverfahren II

doctor blading - Schichtdicken >µm

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Herstellungsverfahren III

Quelle: http://advanced-machinery.com/new_machinery/view_category/id/182

roll to roll coating - Schichtdicken <µm

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Herstellungsverfahren

Schichtdicken OSZ: ~100nm

Schichtdicken ASZ: ~100µm

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Herstellungsverfahren

annungLeerlaufsp:V

sstromKurzschlus:j

Füllfaktor:FF

P

VjFF

adWirkungsgr

OC

SC

L

OCSC

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

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Herstellungsverfahren

• Lösungsmittel

• Mischungsverhältnis (Polymer/Fulleren)

• Lösungskonzentration

• Chemische Struktur

• (Nachbearbeitung z.B. Tempern)

→ self assembly layer

Beeinflussung der Nanomorphologie

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Herstellungsverfahren

Quelle: J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane dithiols, Santa Barbara USA (2007)

Lösungsmittel

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Herstellungsverfahren

Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)

Mischverhältnis

keine IR Absorption

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Herstellungsverfahren

Quelle: Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau, Erfurt (2006)

Tempern

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Herstellungsverfahren

Quelle: http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2006.html

Kosten/Energiebilanz

Kosten Si-Zellen

Herstellungsenergie nach ca. 2,5 Jahren geernetet.

ca. 2 - 4 Monate bei OSZ

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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

Polaronpaar-Diffusionslänge: ~5nm

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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

I1=I2

EBL1 > EBL2

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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

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Effizienz unterschiedlicher Zelltypen

Quelle: M. A. Green et al, Solar cell efficiency tables (version 39), (2011); http://www.heliatek.com/?p=1346

GaAs (thin film) InGaP/GaAs/InGaAs

OS Einzelzelle OS Tandemzelle

OSZ

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Effizienzlimitierende Faktoren

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

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Effizienzlimitierende Faktoren

Quelle: http://www.iundm.de/lars/2_Grundlagen.htm

1,3 kW/m² davon ca. 50% Licht

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Effizienzlimitierende Faktoren

Quelle: Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg 2010

Wichtige Parameter: Perkolation, Traps, Längenskala

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Effizienzlimitierende Faktoren

Quelle: Zhibing Wang et al, Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid photovoltaic devices, Pennsylvania USA

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Effizienzlimitierende Faktoren

• Leitfähigkeit

• Absorptionskoeffizient

• Dielektrizität

• Bandlücke

• Degradation (durch UV, H2O, O2,…)

• unskalierbare Herstellungsverfahren

• Nanomorphologie

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Physikalische Optimierungsansätze

• Neue Materialien

• Beeinflussung der Nanomorphologie

• Tandemzellen/Multilayer

• Optimierung der optischen Eigenschaften

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Physikalische Optimierungsansätze

Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)

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Physikalische Optimierungsansätze

Quelle: Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching 100%, Santa Barbara USA (2009)

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Zusammenfassung

• Forschung hat wirtschaftliche η=10% Marke erreicht

• Neue Materialien erforderlich

• Massenfertigungstechniken ausbauen

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Literatur• Yanmin Wanga et al, Research progress on polymer heterojunction solar cells, Shandong China (2011)• Carsten Deibel, Vladimir Dyakonov, Polymer–Fullerene Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg

(2010)• J. PEET et al, Efficiency enhancement in low-bandgap polymer solar cells by processing with alkane

dithiols, Santa Barbara USA (2007)• Sung Heum Park et al, Bulk heterojunction solar cells with internal quantum efficiency approaching

100%, Santa Barbara USA (2009)• M. A. Green et al, Solar cell efficiency tables (version 39), (2011)• Zhibing Wang et al, Technology ready use of single layer graphene as a transparent electrode for hybrid

photovoltaic devices, Pennsylvania USA• M. Limpinsel et al, Investigation of the Photocurrent in Bulk Heterojunction Solar Cells, Würzburg (2010)• X. Blase et al, First-principles GW calculations for fullerenes, porphyrins, phtalocyanine, and other

molecules of interest for organic photovoltaic applications, Grenoble Frankreich (2010)• William Shockley, Hans J. Queisser, Detailed Balance Limit of Efficiency of p-n Junction Solar Cells,

Palo Alto California (1960)• P. Vanlaeke et al, P3HT/PCBM bulk heterojunction solar cells: Relation between morphology and

electro-optical characteristics, Leuven Belgien (2006)• Versuchsanleitung Fachpraktikum: Mikroelektronik und Sensorik - Spin Coating von Polymerschichten,

TU Ilmenau• Prof. Dr. Gerhard Gobsch, TU Ilmenau• http://www.sigmaaldrich.com• http://www.heliatek.com• http://www.solarserver.de/solarmagazin/artikelmaerz2006.html• http://www.youtube.com/watch?v=J0_dpx5kPiw• http://gehrcke.de/files/stud/gehrcke_lichtner_LMprak_organische_solarzellen.pdf

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